В рамках теории Дайсона по крайней мере можно было объяснить аналитическую природу запахов, однако никто не мог даже предположить, каким образом нечто подобное рамановской спектроскопии используется в системе органов обоняния для формирования образа запаха. Для этого нам понадобился бы не только внутренний биологический спектроскоп, который бы улавливал и анализировал рассеянный свет. В первую очередь при восприятии запаха нам понадобился бы источник света.
Еще один серьезный недостаток теории Дайсона обнаружился тогда, когда стало понятно, что наши органы обоняния способны легко различать молекулы, имеющие одинаковую химическую структуру и идентичный рамановский спектр, однако при этом являются зеркальным отражением друг друга. Например, молекулу лимонена, формирующую запах апельсина, лежащего перед вами, можно назвать правосторонней молекулой. Однако существует практически идентичная по структуре молекула дипентена — левосторонняя (зеркальная) копия молекулы лимонена (рис. 5.3, на котором острые, затемненные области внизу каждой схемы обозначают углерод-углеродную связь, направленную в первом случае вниз, а в другом — вверх).
Рис. 5.3. Лимонен (а) и дипептен (б) — зеркальные изомеры с различными запахами. Молекулы различаются только направлениями нижних химических групп, которые на схеме обозначены затемненными стрелками (стрелка указывает вниз на схеме молекулы лимонена и вверх на схеме молекулы дипентена). Разумеется, молекулу дипентена можно перевернуть так, что данная химическая группа будет направлена вниз, как в молекуле лимонена, однако в этом случае двойная связь молекулы также поменяет расположение и окажется слева, а не справа, поэтому в структуре двух молекул все равно останутся различия. Подобные изомеры напоминают перчатки из одной пары
Дипентен имеет те же молекулярные связи, что и лимонен, и, соответственно, совпадает с ним в показателях рамановского спектра, однако он сильно отличается от лимонена резким скипидарным запахом. Молекулы, имеющие зеркальные отражения, называются хиральными[71]. В большинстве случаев они имеют разные запахи. Свойством хиральности обладает также карвон — природное вещество, содержащееся в семенах укропа и тмина. Карвон имеет тминный запах, а его зеркальный изомер — запах остролистой мяты. Два этих изомера нельзя различить методом рамановской спектроскопии, однако они легко идентифицируются по запаху. Понятно, что обоняние не может полагаться только лишь на обнаружение молекулярных колебаний.
Все эти, казалось бы, неотвратимые недостатки теории колебаний, объясняющей механизм обоняния, привели к тому, что ее надолго — практически на всю вторую половину XX столетия — затмила теория замка и ключа. Ученую общественность не расположили к ней даже усердные старания немногочисленных сторонников теории молекулярных колебаний исправить недостатки. Один из сторонников теории колебаний канадский химик Роберт Райт даже предложил потенциальное решение головоломки с зеркальными изомерами, имеющими различные запахи. Он высказал предположение о том, что сами обонятельные рецепторы обладают свойством хиральности (имеют лево- и правосторонние формы). Молекулу запаха может захватить рецептор с лево- или правосторонним строением, и в зависимости от этого колебания молекулярных связей будут восприняты по-разному. Обратимся к аналогии из мира музыки. Известно, что левша Джими Хендрикс (пусть он символизирует обонятельный рецептор) обычно играл на правосторонней гитаре (сравним ее с хиральной молекулой запаха), гриф которой был направлен вправо. Правша Эрик Клэптон играл на обычной гитаре (зеркальное отражение молекулы), гриф которой был рассчитан на левую руку[72]. Оба музыканта могли сыграть один и тот же рифф (произвести одинаковые колебания) на зеркальных гитарах, однако звук, улавливаемый микрофоном (который в нашей аналогии представляет детектор колебаний — часть обонятельного рецептора), установленным, скажем, слева от музыкантов, будет различным. Отличия будут обусловлены тем, что струны двух гитар (то есть молекулярные связи) по-разному расположены относительно микрофона. Райт предположил, что хиральные обонятельные рецепторы реагируют на частоту колебаний химических связей только в том случае, если химические связи находятся в подходящем для рецептора положении: он утверждал, что рецепторы бывают левшами и правшами, как и гитаристы. И все же теория колебаний осталась на периферии науки, так и не объяснив механизм работы биологического детектора колебаний химических связей.
Однако в теории замка и ключа (теории формы) также есть противоречия. Как мы уже говорили, в рамках данной теории невозможно объяснить наличие молекул с различной структурой и одинаковым запахом и наоборот. Размышляя над этими противоречиями, в 1994 году Гордон Шеперд и Кенсаку Мори сформулировали несколько идей, которые иногда объединяют общим названием «теория слабой формы», или «теория одотопа»[73]. Основное отличие данной теории обоняния от классической теории формы заключалось в предположении Шеперда и Мори о том, что обонятельные рецепторы идентифицируют форму не всей молекулы, а лишь ее части — определенной химической группы. Например, мы уже говорили о том, что в состав молекул веществ с мускусным запахом (схемы представлены на рис. 5.2) входит атом кислорода, связанный двойной связью с атомом углерода. Согласно теории одотопа, рецепторы обоняния реагируют именно на форму этих химических групп, а не на форму целой молекулы. Эта теория больше подходит для объяснения аналитической природы запаха, однако не лишена недостатков, как и теория колебаний. Недостатки, например, всплывают тогда, когда речь идет о молекулах, которые сильно различаются по структуре, однако содержат одинаковые химические группы. Так, ни теория одотопа, ни теория колебаний не может объяснить, почему вещества различаются по запаху, несмотря на одинаковые химические группы в составе молекул. Например, молекулы ванилина (основного компонента ванили) и изованилина состоят из шестиатомного углеродного кольца и трех одинаковых боковых групп, расположенных в неодинаковом порядке (рис. 5.4). Согласно теории одотопа, одинаковые химические группы должны иметь одинаковый запах. Тем не менее ванилин, как вы понимаете, пахнет ванилью, а изованилин отличается резким запахом фенола (сладковато-медицинский запах).
Рис. 5.4. Молекулы с идентичными химическими группами (например, молекулы ванилина и изованилина) могут тем не менее иметь абсолютно разные запахи
Для преодоления этих противоречий сторонники теории замка и ключа предложили объединить ее с теорией одотопа. Они предположили наличие в обонятельной системе хирального механизма распознавания формы химических групп. И все же новая теория не способна объяснить наличие зеркальных молекул с одинаковым запахом[74]. Согласно объединенной теории, запахи таких молекул распознаются одним и тем же рецептором. В таком случае данный рецептор, одинаково подходящий по форме для зеркальных изомеров, представляет собой своеобразный молекулярный организм с универсальной рукой, на которую можно надеть и правую и левую перчатку, а это уже похоже на бессмыслицу.
Квантовый нос и его обоняние
Обычному человеку нетрудно понять, в чем заключается смысл теории совпадения формы рецептора и молекулы: каждый день мы имеем дело с таким явлением, как комплементарность форм, надевая перчатку, вставляя ключ в замочную скважину или закручивая гайку гаечным ключом. Известно, что ферменты (о действии которых мы говорили в главе 3), антитела, рецепторы гормонов и другие биомолекулы взаимодействуют в основном посредством геометрического приспособления собственных атомов и молекул. Следовательно, нет ничего удивительного в том, что теория совпадения формы рецептора и молекулы была поддержана многими биологами, в том числе Ричардом Экселом и Линдой Бак, получившими Нобелевскую премию за изучение обонятельных рецепторов.
Коммуникация, основанная на обработке колебаний химических связей, знакома и понятна нам в гораздо меньшей степени, несмотря на то что данный механизм лежит в основе как минимум двух каналов получения информации — зрения и слуха. В то время как физика таких процессов, как считывание глазом частоты колебаний света или фиксация ухом частоты колебаний воздуха, давно понятна, до недавнего времени никто не мог предложить ясного объяснения того, каким образом нос распознает частоту молекулярных колебаний.
Лука Турин родился в 1953 году в Ливане. Он изучал физиологию в Университетском колледже Лондона. Получив образование в Лондоне, он переехал во Францию, где ему посчастливилось работать в Национальном центре научных исследований. Однажды он посетил известный магазин «Галерея Лафайет» в Ницце и пережил там моменты истинного откровения. В центре большого парфюмерного павильона находилась витрина, уставленная продукцией японской компании Shiseido, а именно их новым запахом Nombre Noir, о котором Турин пишет так: «Это было нечто среднее между розой и фиалкой, но абсолютно без сладкой приторности, присущей обоим ароматам; напротив, в нем был слабый, едва уловимый оттенок запаха кедровой коробки для сигар. В то же время аромат вовсе не был сухим. Казалось, он переливался свежестью глубокого, теплого цвета, и капли поблескивали в нем, словно стеклышки витража»[75]. Японский аромат глубоко впечатлил Турина и вдохновил его на долгие поиски разгадки тайны запаха, а именно того, как молекулы, попадающие в нос человека, способны вызывать такие пронзительные ощущения.
